умк_кириенко_1

ратуры начинает испаряться механически примешанная вода, затем выгорают органические примеси, а при нагревании до 550 – 800 °С происходит дегидратация глинистых минералов и глина утрачивает свою пластичность.

При дальнейшем повышении температуры осуществляется обжиг – начинает расплавляться некоторая легкоплавкая составная часть глины, которая, растекаясь, обволакивает нерасплавившиеся частицы глины, при охлаждении затвердевает и цементирует их. Так происходит процесс превращения глины в камневидное состояние. Частичное плавление глины и действие сил поверхностного натяжения расплавленной массы вызывают сближение ее частиц, происходит сокращение объема – огневая усадка. Совокупность процессов усадки, уплотнения и упрочнения глины при обжиге называют спеканием глины. При дальнейшем повышении температуры масса размягчается – наступает плавление глины.

На цвет обожженных глин оказывает влияние главным образом содержание окислов железа, которые окрашивают керамические изделия в красный цвет при наличии избытка в печи кислорода или в темнокоричневый и даже черный при недостатке кислорода. Окислы титана вызывают синеватую окраску черепка.

Для получения белого кирпича обжиг ведут в восстановительной среде (при наличии свободных СО и Н2 в газах) и при определенных температурах, чтобы окись железа перевести в закись.

Несмотря на обширный ассортимент керамических изделий, разнообразие их форм, физико-механических свойств и видов сырьевого мате-

риала, основные этапы производства керамических изделий являются общими и состоят из следующих операций:

−добычи сырьевых материалов;

−подготовки сырьевой массы;

−формования изделий (сырца);

−сушки сырца, обжига изделий;

−обработки изделий (обрезки, глазурования и пр.) и упаковки. Добыча сырья. Заводы по производству керамических материалов,

как правило, строят вблизи месторождения глины, и карьер является составной частью завода. Разработку (добычу) сырья осуществляют на карьерах открытым способом – экскаваторами. Транспортировку сырья от карьера к заводу производят автосамосвалами, вагонетками или транспортерами при небольшой удаленности карьера от цеха формовки.

Подготовка сырьевых материалов состоит из разрушения природной структуры глины, удаления или измельчения крупных включений, смешения глины с добавками и увлажнения до получения удобоформуемой глиняной массы.

Формование. Подготовку керамической массы в зависимости от свойств исходного сырья и вида изготовляемой продукции осуществляют

171

полусухим, пластическим и шликерным (мокрым) способами. При полусухом способе производства глину вначале дробят и подсушивают, затем измельчают и с влажностью 8 – 12 % подают на формование. При пластическом способе формования глину дробят, затем направляют в глиносмеситель, где она перемешивается с обогощающими добавками до получения однородной пластичной массы влажностью 20 – 25 %. Формование керамических изделий при пластическом способе осуществляют преимущественно на ленточных прессах. При полусухом способе глиняную массу формуют на гидравлических или механических прессах под давлением до 15 МПа и более. По шликерному способу исходные материалы измельчают и смешивают с большим количеством воды (до 60 %) до получения однородной массы – шликера. В зависимости от способа формования шликер используют как непосредственно для изделий, получаемых способом литья, так и после его сушки в распылительных сушилках.

Сушка. Современный период развития производства строительной керамики характеризуется интенсификацией технологических процессов, комплексной механизацией, конвейеризацией и автоматизацией производства. В этой связи важную роль отводят разработке новой технологии получения пресс-порошка в распылительных сушилах, сущность которой заключается в совмещении процессов обезвоживания, дробления и сепарации.

Обязательной промежуточной операцией технологического процесса производства керамических изделий по пластическому способу является сушка. Если же сырец, имеющий высокую влажность, сразу после формования подвергнуть обжигу, то он растрескивается. При сушке сырца искусственным способом в качестве теплоносителя используют дымовые газы обжигательных печей, а также специальных топок. При изготовлении изделий тонкой керамики применяют горячий воздух, образуемый в калориферах. Искусственную сушку производят в камерных сушилах периодического действия или туннельных сушилах непрерывного действия.

Процесс сушки представляет собой комплекс явлений, связанных с тепло- и массообменом между материалом и окружающей средой. В результате происходит перемещение влаги из внутренней части изделий на поверхность и испарение ее. Одновременно с удалением влаги частицы материала сближаются, и происходит усадка. Уменьшение объема глиняных изделий при сушке происходит до определенного предела, несмотря на то, что вода к этому моменту полностью еще не испарилась.

В целях получения высококачественных керамических изделий процессы сушки и обжига должны осуществляться в строгих режимах. Обжиг является завершающей стадией технологического процесса. В печь сырец поступает с влажностью 8 – 12 %, где в начальный период происходит его досушивание.

172

В результате обжига изделие приобретает камневидное состояние, высокие водостойкость, прочность, морозостойкость и другие ценные строительные качества.

9.4. Свойства и основы производства минеральных вяжущих веществ

Минеральными вяжущими веществами называют тонкоизмель-

ченные порошки, образующие при смешивании с водой пластичное тесто, под влиянием физико-химических процессов переходящее в камневидное состояние. Это свойство вяжущих веществ используют для приготовления на их основе растворов, бетонов, безобжиговых искусственных каменных материалов и изделий.

Различают минеральные вяжущие вещества воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие вещества твердеют, долго сохраняют и повышают свою прочность только на воздухе. К воздушным вяжущим веществам относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие, воздушная из-

весть и кислотоупорный цемент. Гидравлические вяжущие вещества

способны твердеть и длительно сохранять свою прочность не только на воздухе, но и в воде. В группу гидравлических вяжущих входят портландцемент и его разновидности, пуццолановые и шлаковые вяжущие, глиноземистый и расширяющиеся цементы, гидравлическая известь. Их используют как в надземных, так и в подземных и подводных конструкциях. Наряду с этим различают вяжущие вещества, эффективно твердеющие только при автоклавной обработке – давлении насыщенного пара 0,8 – 1,2 МПа и температуре 170 – 200 °С. В группу вяжущих веществ автоклавного твердения входят известково-кремнеземистые и известково-нефелиновые вяжущие, а также смеси тонкомолотого песка с портландцементом, которые хотя и могут твердеть в других условиях, но дают значительно более высокий прирост прочности при автоклавном режиме твердения.

Гипсовые вяжущие вещества делят на две группы – низкообжиговые и высокообжиговые. Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества получают при нагревании двуводного гипса CaSO4·2Н2О до температуры 150 – 160 °С с частичной дегидратацией двуводного гипса и переводом его в полуводный гипс CaSO4·0,5Н2О. Высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие получают обжигом двуводного гипса при более высокой температуре, до 700 – 1000 °С, с полной потерей химически связанной воды и образованием безводного сульфата кальция – ангидрита CaSO4.

К низкообжиговым относится строительный, формовочный и высокопрочный гипс, а к высокообжиговым – ангидритовый цемент и эстригипс.

Сырьем для производства гипсовых вяжущих служат природный гипсовый камень и природный ангидрид CaSO4, а также отходы химиче-

173

ской промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций, например, фосфогипс. Возможно применение гипсосодержащего природного сырья в виде сажи и глиногипса.

Производство гипса складывается из дробления, помола и тепловой обработки (дегидратации) гипсового камня. Имеется несколько технологических схем производства гипсового вяжущего: в одних помол предшествует обжигу, в других помол производится после обжига, а в третьих помол и обжиг совмещаются в одном аппарате. Последний способ получил название обжига гипса во взвешенном состоянии. Тепловую обработку гипсового камня производят в варочных котлах, сушильных барабанах, шахтных или других мельницах. Наиболее распространена схема производства гипсового вяжущего с применением варочных котлов (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Технологическая схема производства строительного гипса

сприменением варочных котлов:

1– мостовой грейферный кран; 2 – бункер гипсового камня; 3 – лотковый питатель; 4 – щековая дробилка; 5 – ленточные транспортеры; 6 – бункер гипсового щебня; 7 – тарельчатый питатель; 8 – шахтная мельница; 9 – сдвоенный циклон;

10 – батарея циклонов; 11 – вентилятор; 12 – рукавные фильтры; 13 – пылеосадительная камера; 14 – шнеки; 15 – бункер сырого молотого гипса;

16 – камера томления; 17 – гипсоварочный котел; 18 – элеватор; 19 – бункер готового гипса; 20 – скребковый транспортер

Гипсовый камень, поступающий на завод в крупных кусках, сначала дробят, затем измельчают в мельнице, одновременно подсушивая его. В порошкообразном виде камень направляют в варочный котел периодического или в установку непрерывного действия. Последняя имеет в 2 – 3 раза выше производительность, но еще находится в стадии практического освоения.

174

Варочный котел периодического действия (рис. 9.2) представляет собой обмурованный кирпичом стальной котел 1 со сферическим днищем 2, обращенным выпуклой стороной внутрь цилиндра. Для перемешивания гипса в котле имеется мешалка 3, приводимая в движение электродвигателем 4. Раскаленные топочные газы обогревают днище и стенки котла, а также проходят через жаровые трубы 5 внутри котла и в охлажденном состоянии удаляются по дымовой трубе. Продолжительность варки – 90 – 180 мин. При варке в котле гипс не соприкасается с топочными газами, что позволяет получать чистую продукцию, не загрязненную золой топлива.

Рис. 9.2. Варочный котел для изготовления строительного гипса: 1 – днище; 2 – мешалка; 3 – электродвигатель; 4 – котел;

5 – жаровые трубы; 6 – выгрузочный желоб

Гипсовое вяжущее в сушильных барабанах получают путем обжига гипсового камня в виде щебня размером до 20 мм. Обжиговой частью сушильного барабана служит наклонный стальной цилиндр диаметром до 2,5 м

идлиной до 20 м, установленный на роликовых опорах и непрерывно вращающийся. Гипсовый щебень подается в барабан с приподнятой стороны

ив результате вращения наклонного барабана перемещается в сторону наклона. Из топки в барабан поступают раскаленные дымовые газы, которые при движении вдоль барабана обжигают гипсовый камень, а с противоположной стороны удаляются вентилятором. Далее гипсовый камень измельчают в мельницах.

Применяется гипсовое вяжущее для производства гипсовых и гипсобетонных строительных изделий для внутренних частей зданий (перегородочных плит, панелей, сухой штукатурки, приготовления гипсовых и сме-

175

шанных растворов, производства декоративных и отделочных материалов, например, искусственного мрамора), а также для производства гипсоце- ментно-пуццолановых вяжущих.

Высокопрочный гипс является разновидностью полуводного гипса. Высокопрочный гипс выпускают пока в небольшом количестве и применяют в основном в металлургической промышленности для изготовления форм. Однако он успешно может заменить обыкновенное гипсовое вяжущее, обеспечив изделиям высокую прочность.

Формовочный гипс состоит в основном из кристаллов β -модификации и незначительного количества примесей. Он обладает повышенной водопотребностью, а, затвердев, имеет высокую пористость. Это свойство формовочного гипса успешно используется в керамической и фарфорофаянсовой промышленности для изготовления форм.

Ангидритовое вяжущее получают обжигом природного двуводного гипса при температуре 600 – 700°С с последующим его измельчением с добавками – катализаторами твердения (известью, смесью сульфата натрия с медным или железным купоросом, обожженным доломитом, основным доменным гранулированным шлаком и др.). Ангидритовое вяжущее можно получить также путем помола природного ангидрида с указанными выше добавками.

Ангидритовый цемент – это медленно схватывающееся вяжущее вещество с началом схватывания не ранее 30 мин, концом – не позднее 24 ч.

Применяют ангидритовые цементы для приготовления кладочных и отделочных растворов, бетонов, производства теплоизоляционных материалов, искусственного мрамора и других декоративных изделий.

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) является разновидностью ангидритовых цементов. Высокообжиговый гипс медленно схватывается и твердеет, но водостойкость и прочность при сжатии (10 – 20 МПа) позволяют успешно использовать его при устройстве мозаичных полов, изготовлении искусственного мрамора и др. Изделия из высокообжигового гипса мало тепло- и звукопроводны, они обладают по сравнению с изделиями из гипсового вяжущего более высокой морозостойкостью, повышенной водостойкостью и меньшей склонностью к пластическим деформациям.

Строительную известь получают путем обжига (до удаления углекислоты) из кальциево-магниевых горных пород – мела, известняка, доломитизированных и мергелистых известняков, доломитов.

Для производства тонкодисперсной строительной извести гасят водой или размалывают негашеную известь, вводя при этом минеральные добавки в виде гранулированных доменных или электротермофосфатных шлаков, активные минеральные добавки или кварцевые пески. Строительную известь применяют для приготовления строительных растворов и бе-

176

тонов, вяжущих материалов и в производстве искусственных камней, блоков и строительных деталей.

Взависимости от условий твердения различают строительную известь воздушную, обеспечивающую твердение строительных растворов и бетонов и сохранение ими прочности в воздушно-сухих условиях, и гидравлическую, обеспечивающую твердение растворов и бетонов и сохранение ими прочности в воздушно-влажных условиях

Портландцемент является важнейшим вяжущим веществом. По производству и применению он занимает первое место среди всех других вяжущих веществ.

Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее

вводе и на воздухе. Оно получается тонким измельчением обожженной до спекания сырьевой смеси известняка и глины, обеспечивающей преобладание в клинкере силикатов кальция. Спекшаяся сырьевая смесь в виде зерен размером до 40 мм называется клинкером; от качества его зависят важнейшие свойства цемента: прочность и скорость ее нарастания, долговечность, стойкость в различных эксплуатационных условиях.

Портландцемент, получаемый на заводах из различных видов природного сырья и с неодинаковой технологией производства, отличается как по химико-минералогическому составу, так и по свойствам.

Технологический процесс производства портландцемента состоит из следующих основных операций: добычи известняка и глины, подготовки сырьевых материалов и корректирующих добавок, приготовления из них однородной смеси заданного состава, обжига смеси и измельчения клинкера в тонкий порошок совместно с гипсом, а иногда с добавками.

Взависимости от приготовления сырьевой смеси различают два ос-

новных способа производства портландцемента: мокрый и сухой. При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды, и смесь в виде жидкого шлама обжигают во вращающихся печах; при сухом способе материалы измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде. В последнее время все шире начинает применяться комбинированный способ приготовления сырьевой смеси, по которому сырьевую смесь подготовляют по мокрому способу, затем шлам обезвоживают и из него приготовляют гранулы, которые обжигают по сухому способу.

9.5. Свойства и основы производства бетона и железобетона

Бетон – искусственный камень, получаемый в результате формования и твердения рационально подобранной смеси вяжущего вещества, воды и заполнителей (песка и щебня или гравия). Смесь этих материалов до затвердения называют бетонной смесью.

177

Зерна песка и щебня составляют каменный остов в бетоне. Цементное тесто обволакивает зерна песка и щебня, заполняет промежутки между ними и играет роль смазки заполнителей, придающей бетонной смеси подвижность (текучесть). Цементное тесто, затвердевая, связывает зерна заполнителей, образуя искусственный камень – бетон.

Бетон в сочетании со стальной арматурой называют железобетоном. Получение смеси и бетона хорошего качества возможно только при глубоком знании их технологии; умелом подборе составляющих материалов надлежащего качества и в оптимальных соотношениях; правильных режимах приготовления бетонной смеси, методах ее укладки, уплотнения в условиях твердения, обеспечивающих получение бетонных конструкций

высокой прочности, долговечности и низкой стоимости.

Бетон является одним из важнейших строительных материалов во всех областях современного строительства. Это объясняется изменением свойств бетона в широком диапазоне путем использования компонентов соответствующего качества, применения специальных методов механической и физико-химической обработки, возможностью изготовления самых разнообразных по форме и размерам долговечных строительных конструкций, возможностью полной механизации бетонных работ, экономичностью бетона, так как до 80 – 85 % объема его составляют заполнители из местных каменных материалов.

Бетоны классифицируют по следующим ведущим признакам: плотности, прочности, долговечности, виду вяжущего вещества и заполнителя и по назначению.

Основной считается классификация бетона по плотности, в результате чего бетон делят на особо тяжелый плотностью более 2500 кг/м3, тяжелый – 2200 – 2500 кг/м3, облегченный – 1800 – 2200 кг/м3 и легкий –

500– 1800 кг/м3, особо легкий (теплоизоляционный) – менее 500 кг/м3.

Взависимости от крупности применяемого заполнителя бетоны бывают намелкозернистомзаполнителе(до10 мм) икрупнозернистом(10 – 150 мм).

Важнейшими показателями качества бетона являются его прочность и долговечность. По показателям прочности при сжатии бетоны имеют следующие марки: тяжелые бетоны – М50 – 800, легкие – М25 – 400.

Бетоны, предназначенные для зданий и сооружений, делят на 19

классов (В1; В 1,5; В2;...;В60, а также С 0,8; С 1,2; С 1,6; С 2;...;С 55), основ-

ной контролируемой характеристикой которых является прочность при сжатии кубов размером 150х150х150 мм и соответственно цилиндров размером 150x300 мм. Кроме того, контролируемыми характеристиками являются прочность на растяжение, морозостойкость и водонепроницаемость.

178

Долговечность бетона оценивают степенью морозостойкости. По этому показателю бетоны делят на марки: для тяжелых бетонов Мрз50 – 500 и легких бетонов – Мрз 15 – 500.

По виду вяжущего вещества бетоны бывают: цементные, изготовленные на гидравлических вяжущих веществах; портландцементные и его разновидности; силикатные – на известковых вяжущих в сочетании с силикатными или алюминатными компонентами; гипсовые – с применением гипсоангидритовых вяжущих; бетоны на неорганических и органических вяжущих материалах. В настоящей главе рассмотрены бетоны на минеральных вяжущих веществах. Тяжелые бетоны изготовляют на цементе и обычных плотных заполнителях, а легкие – на цементе с применением естественных или искусственных пористых заполнителей. Разновидностью легкого бетона является ячеистый бетон, представляющий собой отвердевшую смесь вяжущего вещества, воды и тонкодисперсного кремнеземистого компонента. Он отличается высокой пористостью, до 80 – 90 %, с равномерно распределенными порами размером 3 мм. Силикатные бетоны получают из смеси извести и кварцевого песка с последующим твердением сформованных изделий в автоклаве при давлении 0,8 – 1,2 МПа и темпера-

туре 170 – 200 °С.

По виду заполнителя различают бетоны: на плотных заполнителях, пористых, специальных, удовлетворяющих специальным требованиям (защита от излучений, жаростойкость, химическая стойкость и т.п.).

По назначению бетон бывает следующих видов: обычный – для бетонных и железобетонных несущих конструкций зданий и сооружений (колонны, балки, плиты); гидротехнический – для плотин, шлюзов, облицовки каналов и др.; для стен зданий и легких перекрытий; для полов и дорожных покрытий и оснований; специальный – кислотоупорный, жароупорный, особо тяжелый для биологической защиты; особо тяжелый на цементе с применением специальных видов заполнителей высокой плотности.

Приготовление бетонной смеси включает две основные технологические операции – дозировку исходных материалов и их перемешивание.

Важнейшим условием приготовления бетонной смеси с заданными показателями свойств, а также обеспечения постоянства эти показателей от замеса к замесу является точность дозировки составляющих материалов в соответствии с рабочим составом бетона. Дозирование материалов производят дозаторами (мерниками) периодического или непрерывного действия. Первые могут иметь ручное, полуавтоматическое или автоматическое управление.

Перемешивание бетонной смеси производят в бетоносмесителях периодического и непрерывного действия. В бетоносмесителях периодического действия рабочие циклы машины протекают с перерывами, т.е. в них периодически загружаются отмеренные порции материалов, перемешива-

179

ются и далее бетонная смесь выгружается. В бетоносмесителях непрерывного действия все три операции производятся непрерывно.

Продолжительность перемешивания бетонной смеси зависит от ее подвижности и емкости бетоносмесителя. Чем меньше подвижность бетонной смеси и чем больше рабочая емкость бетоносмесителя, тем больше оптимальное время перемешивания. На автоматизированных бетонных заводах применяют бетоносмесители непрерывного действия, в которых бетонная смесь принудительно перемешивается и одновременно перемещается от загрузочного отверстия к другому концу, где происходит ее выгрузка.

Для приготовления жестких и особо жестких бетонных смесей созданы так называемые вибросмесители, в которых перемешивание составляющих материалов осуществляется в сочетании с вибрацией, а в некоторых конструкциях – только вибрацией.

В технологию приготовления бетонной смеси начинает внедряться перемешивание с нагреванием смеси. Суть этого метода состоит в том, что разогрев бетонной смеси до 60 – 65 °С производят паром, подаваемым в смеситель в процессе ее перемешивания. Такое нагревание происходит равномерно, проще и во много раз быстрее, чем при предварительном нагреве воды и заполнителей, а также электроразогреве смеси.

Транспортирование бетонной смеси к месту укладки должно обеспечить сохранение ее однородности и степени подвижности. При длительной перевозке бетонная смесь загустевает вследствие гидратации цемента, поглощения воды заполнителями и испарения, однако подвижность смеси к моменту ее укладки должна быть не меньше проектной.

При выборе способа транспортирования необходимо учитывать дальность и скорость перевозки, подвижность смеси и экономичность способа. На заводах бетонные смеси транспортируют бетонораздатчиками, самоходными тележками, ленточными транспортерами; в цехах малой и средней мощности – электротельферами и электрокарами. Подвижные смеси можно транспортировать на большие расстояния по трубам с помощью пневматических установок. На строительные площадки, где ведутся бетонные работы, бетонную смесь доставляют на автосамосвалах или автобетоносмесителях, в которых бетонную смесь перемешивают примерно за 5 мин до прибытия на место.

Железобетонные изделия для сборного строительства – относительно новый вид конструктивных элементов. Начало практического применения их относят к концу прошлого столетия. В 20-х и 30-х годах текущего столетия появились первые здания, выполненные в основном из сборных железобетонных изделий. Однако широкому и всестороннему применению сборного железобетона в то время препятствовал низкий уровень механизации строительства, отсутствие мощных монтажных кранов и оборудования для производства железобетонных изделий.

180